孫寶亮 鞏恩普 李金梅 關(guān)長慶 張永利

(1.東北大學(xué)地質(zhì)系 沈陽 110004;2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局 南京 210007)

貴州紫云上石炭統(tǒng)葉狀藻礁灰?guī)r的成巖作用①

孫寶亮1鞏恩普1李金梅2關(guān)長慶1張永利1

(1.東北大學(xué)地質(zhì)系 沈陽 110004;2.有色金屬華東地質(zhì)勘查局 南京 210007)

貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)扁平村的上石炭統(tǒng)中的葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r中發(fā)育強烈的成巖作用和膠結(jié)物,這些膠結(jié)物在猴場研究區(qū)內(nèi)是顯著的和有代表性的。通過觀察、分析野外露頭、光片、薄片、薄片的陰極發(fā)光和染色,來研究礁體巖石的成巖作用,確定了成巖作用序列、成巖環(huán)境、成巖階段。成巖作用類型主要有泥晶化、溶蝕、膠結(jié)、新生變形、機械壓實、剪切或高溫重結(jié)晶、構(gòu)造破裂作用等。早成巖階段的成巖作用有輕微壓實、溶蝕作用和在礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用的膠結(jié)作用。膠結(jié)作用提供了大量的微亮晶、斑塊狀亮晶方解石、放射纖維扇狀膠結(jié)物,構(gòu)成了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài)。表生成巖階段,強烈的溶蝕作用形成大的晶洞孔隙或通道孔隙,后被潛流的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物所充填。中、晚成巖階段,接近封閉狀態(tài)的孔隙被等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物和粗粒的等粒亮晶方解石膠結(jié)物充填,使礁灰?guī)r孔隙度接近零;先成的膠結(jié)物被熱液改造,使有機質(zhì)含量和顏色發(fā)生變化而結(jié)構(gòu)不變;小部分先成膠結(jié)物形成鑄模后被充填。在后生作用階段發(fā)生構(gòu)造破裂作用。葉狀藻礁灰?guī)r的孔隙系統(tǒng)較早被充填,是其沒能成為油氣儲集層的原因之一。在南盤江盆地內(nèi)可能只有在后生作用階段形成大且連通的孔隙的灰?guī)r才能成為油氣儲集層。

成巖作用膠結(jié)作用 葉狀藻礁 上石炭統(tǒng) 扁平村

0 引言

滇黔桂地區(qū)中-古生界海相新區(qū)是我國南方重要油氣資源戰(zhàn)略接替區(qū)[1]。該區(qū)自1956年開始進(jìn)行油氣勘探至今,除在四川盆地找到豐富油氣儲量外,其他廣大地區(qū)尚未取得實質(zhì)性勘探突破[1,2]?？紫缎徒笧┫嗷?guī)r是重要儲層之一[2]。早在1958年就已發(fā)現(xiàn)貴州存在生物礁的線索,1970年以來,多部門、多單位都對生物礁做了大量研究工作[3,4]。其中對油氣勘探有實際意義的是中三疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)的生物礁沉積[2]。在南盤江盆地的生物礁及裂縫等特殊儲層是近期主要的評價與預(yù)測研究內(nèi)容[1]。

石炭紀(jì)的生物礁全球發(fā)育的不好,對其研究更是薄弱。2001年以來,鞏恩普教授課題組開展對黔南地區(qū)石炭紀(jì)生物礁的研究工作,發(fā)現(xiàn)了多種類型的石炭紀(jì)生物礁,扁平葉狀藻礁就是其中之一。扁平葉狀藻礁灰?guī)r含大量各類型膠結(jié)物在猴場研究區(qū)內(nèi)是顯著的和有代表性的,對礁灰?guī)r的成巖作用的研究能使我們重構(gòu)成巖歷史和孔隙演化過程,這是葉狀藻礁研究的重要組成部分,也能為南盤江盆地內(nèi)油氣的運移成藏的研究提供幫助,有重要的理論和一定的經(jīng)濟意義。

本文通過觀察、分析野外露頭、百余個光片、40個薄片[5,6]、22個薄片的陰極發(fā)光和染色[7,8],研究礁體巖石成巖作用。經(jīng)染色法確定碳酸鹽中的礦物幾乎都是方解石。

對于巖石學(xué)者來說陰極發(fā)光顯微技術(shù)已經(jīng)成為重要且被廣泛應(yīng)用的工具,陰極發(fā)光為研究沉積巖提供一種全新的視角。陰極發(fā)光儀通過電子束轟擊礦物晶體使其發(fā)光,對于碳酸鹽礦物來說Mn2+和三價的稀土元素離子是最重要的外源激活劑,Fe2+是碳酸鹽礦物陰極發(fā)光的猝滅劑。碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性質(zhì)反應(yīng)了Fe和Mn離子的空間分布,從而形成分區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)物的陰極發(fā)光巖石學(xué)概念,它主要應(yīng)用于觀察解釋成巖階段、重構(gòu)成巖事件、解釋成巖歷史等。

1 地質(zhì)背景與礁體特征

貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)的上石炭統(tǒng)位于揚子地臺南緣,地層分區(qū)屬華南區(qū)滇-黔-桂分區(qū),黔南-桂北-滇東南小區(qū)[9]。該區(qū)石炭-二疊紀(jì)地層連續(xù)沉積,屬開闊臺地邊緣沉積環(huán)境[10,11]。晚石炭世-二疊紀(jì)是文石海[12,13],在低緯度區(qū)的南盤江盆地[14,15]沉積的碳酸鹽礦物以文石為主。猴場鎮(zhèn)位于南盤江盆地的中北部。南盤江盆地經(jīng)歷的構(gòu)造變動多,特別是印支-燕山期以來的構(gòu)造變動,對古生代盆地進(jìn)行了反復(fù)改造,使原有盆地面貌徹底解體[16～18]。頻繁的構(gòu)造變動使晚古生代的南盤江盆地存在多期次的巖溶作用[19]。在黔南石炭-二疊系的層序地層格架中,石炭系馬平組對應(yīng)較高位的相對海平面[10,11,20～22],發(fā)育有海侵體系域和高水位體系域[22],后續(xù)相對海平面的變化驅(qū)動了孔隙流體化學(xué)組分的改變,并依次控制了碳酸鹽早期礦物穩(wěn)定化和和孔隙演化[23]。

猴場鎮(zhèn)以西約4 km的扁平村以南發(fā)育一個石炭紀(jì)馬平期的葉狀藻礁。礁體總體形態(tài)為低起伏的丘狀,規(guī)模較大寬55 m厚18 m[24～27]。層狀或丘狀的以葉狀藻片等生物碎屑為骨架的含大量的同心的黑、白、灰色等厚環(huán)壁(是指在原生或次生孔隙壁上生長的等厚膠結(jié)物層)膠結(jié)物和葡萄狀膠結(jié)物的膠結(jié)巖[28]作為礁體的造架部分,和作為其基底或充填于其間的生物碎屑粒泥灰?guī)r或泥?；?guī)r,交錯疊置形成葉狀藻礁。扁平葉狀藻礁灰?guī)r以高生物含量和多生物種類及大量膠結(jié)物為顯著特征,其中大量的各類膠結(jié)物猴場研究區(qū)內(nèi)是顯著的和有代表性的。

2 成巖作用與成巖階段

成巖作用是指沉積物脫離沉積環(huán)境在變質(zhì)作用前隨時間發(fā)生的物質(zhì)成分或結(jié)構(gòu)構(gòu)造的改變,沉積物經(jīng)歷不同成巖環(huán)境即不同成巖階段發(fā)生不同的成巖作用。每一時刻巖石都受到一或幾種成巖作用的塑造。

筆者在野外、光片、薄片及薄片的陰極發(fā)光和染色的觀察的基礎(chǔ)上,確定扁平葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r經(jīng)歷的成巖作用主要有泥晶化、膠結(jié)、新生變形、機械壓實、溶蝕、剪切或高溫重結(jié)晶、構(gòu)造破裂作用(圖1)。其中膠結(jié)、溶蝕、新生變形作用作用時間長,表現(xiàn)形式多樣.athurst解釋Folk提出的新生變形作用為:包括同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變和重結(jié)晶作用和進(jìn)變新生變形作用(細(xì)粒嵌晶被粗粒嵌晶交代)[29],它的產(chǎn)物是方解石化和晶體變大。并且Bathurst認(rèn)為上述的重結(jié)晶作用的程度沒有達(dá)到剪切或高溫所造成的那種重結(jié)晶的程度[29]。

經(jīng)過觀察和分析理出這些成巖作用發(fā)生的時間序列,并主要根據(jù)《碳酸鹽巖成巖階段劃分》[30],以巖石學(xué)標(biāo)志、次生孔隙類型為依據(jù),劃分出扁平葉狀藻礁灰?guī)r所經(jīng)歷的各成巖環(huán)境和成巖階段。下面將依序描述各成巖階段發(fā)生的成巖作用的特征。

2.1 淺海海底同生成巖階段

同沉積的淺海海底的成巖作用主要有泥晶化、膠結(jié)作用如下述,新生變形作用也在沉積物與海水界面下開始發(fā)生。

圖1 扁平葉狀藻礁灰?guī)r各成巖階段發(fā)生的成巖作用Fig.1 Paragenetic pathway of the diagenetic events records in the phylloid algal reef limestone

扁平葉狀藻礁在不同大小的孔隙中形成不同的膠結(jié)物。葉狀藻片豐富的沉積物由于藻片支撐和生物結(jié)殼及微晶膠結(jié)作用[13]而存有大的孔隙和高的孔隙度,腕足殼、葉狀藻片、苔蘚蟲等生物碎屑有淡泥晶套(輕微泥晶化作用)或微生物結(jié)殼?？紫吨行纬傻群癍h(huán)邊針狀膠結(jié)物、葡萄狀膠結(jié)物。含葉狀藻片較少的生物碎屑粒泥和泥粒沉積物孔隙度低且滲透性差,孔隙里形成微晶膠結(jié)物(圖2),微晶膠結(jié)物與泥晶套和沉積灰泥等無大差別,又經(jīng)后期的作用而不易識別。

海底碳酸鹽包括灰泥、生物殼(除海百合片,腕足殼和易成鑄模的殼體外)及生物結(jié)殼、泥晶套、微晶膠結(jié)物的陰極發(fā)光通常是暗紅色。

等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物[28,31]形成時可能是纖維文石,從由塵點狀包裹體連成的邊界看針狀纖維細(xì)直,寬度小于10μm,長度與寬度之比大于6∶1(圖2、3、5、6,圖版Ⅰ-1),經(jīng)歷新生變形作用后變成較大方解石晶體[13,32～34],成模糊的刃狀或犬牙狀,陰極發(fā)光為深黑藍(lán)色。等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物常見在葉狀藻片及苔蘚蟲上、腕足殼內(nèi)生長。

圖2 以海底的葡萄狀膠結(jié)物為主的膠結(jié)巖(光片)膠結(jié)物序列是:海底環(huán)境葉狀藻片有結(jié)殼或泥晶套且被微晶膠結(jié)(Ⅰ),葡萄狀膠結(jié)物(b),等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(a);淡水潛流的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀和等粒亮晶方解石膠結(jié)物(g),埋藏環(huán)境的被改造的膠結(jié)物(h).Fig.2 The cementstone consists predominantly of sea-floor botryoidal cement(polished slab) The sequence of cements is as follows:in the sea-floor environment, phylloid algal fragment(Ⅰ)commonly encrusted or surrounded by micrite envelopes and cemented bymicrite,botryoidal cement(b), isopachous acicular cement(a);in the meteoric phreatic environment,the isopachous layers of columnar cement(e)with the growth banding of light and dark;in the burial setting,isopachous bladed cement and coarse equant calcite spar(g),preexisting cements(h) altered.

葡萄狀膠結(jié)物是由緊密放射狀排列的針狀纖維形成的半球形或扇形的礦物集合體(圖2、4)。從由塵點狀包裹體連成的邊界能看出針狀纖維細(xì)直,呈放射狀排列,寬度小于10μm,長度與寬度之比大于6∶1,經(jīng)進(jìn)變新生變形作用后,已變成較大晶體方解石,塊狀消光,陰極發(fā)光為黑色。葡萄狀膠結(jié)物扇形態(tài)好,半徑可達(dá)3～4 mm,不同扇間有競爭生長關(guān)系,常見在葉狀藻片間孔隙、生物殼腔等較大空間里生長(圖4)。在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中葡萄狀膠結(jié)物是常見的,是形成膠結(jié)巖的主要膠結(jié)物之一(圖2)。

圖3 等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物豐富的膠結(jié)巖(光片)由葉狀藻片、腕足等生物碎屑經(jīng)海底結(jié)殼和膠結(jié)作用構(gòu)成格架.右上一個腕足殼內(nèi)有灰泥(Ⅰ)和膠結(jié)物的示頂?shù)讟?gòu)造.膠結(jié)物序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(a);淡水潛流的有明暗生長帶的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀(f)和等粒亮晶方解石膠結(jié)物(g)Fig.3 The cementstone rich in the isopachous layers of columnar cement(polished slab) Bioclasts such as phylloid algal,brachiopod encrusted and cemented in the sea-floor environment form framework.A brachiopod shell (top right)is filled with geopetal sediment(Ⅰ)and roofed by cements.The sequence of the cements isas follows:marine isopachous acicular cement(a);meteoric phreatic isopachous columnar cement (e)with concentric,various gray growth-layering;burial isopachous bladed cement(f),and coarse equant calcite spar(g)

2.2 早成巖階段

早成巖階段是指沉積物被埋藏并脫離海水、大氣水和混合水的影響之后,在淺埋藏環(huán)境(海底之下幾米至幾十米[28,35])中固結(jié)成巖。其中的成巖作用有:膠結(jié)、機械壓實、新生變形、溶蝕作用等。

海水埋藏成巖作用的組構(gòu)(如斑塊狀亮晶方解石膠結(jié)物、鑄?？?、新生變形和微亮晶等)可以和大氣水成巖作用具有相似性[36～39]。微亮晶能作為膠結(jié)物形成于大氣水和淺埋藏成巖環(huán)境,而不僅僅是象被廣泛接受的解釋那樣微亮晶是微晶進(jìn)變新生變形的產(chǎn)物[38]。

2.2.1 機械壓實作用

泥?；?guī)r中在大的海百合莖片周圍的顆粒定向排列與海百合莖片的外表面漸趨于平行,是機械壓實作用的體現(xiàn),但幾乎沒有生物碎屑被機械壓碎現(xiàn)象。由于層狀和丘狀的葉狀藻片豐富且海底膠結(jié)作用強烈的巖化區(qū)起到支撐作用,所以葉狀藻礁整體只有較輕的機械壓實現(xiàn)象,使沉積物顯得顆粒含量略有提高。

2.2.2 溶蝕作用

溶蝕作用產(chǎn)生鑄?？紫逗头墙M構(gòu)選擇性的孔隙,例如形成圓斑狀網(wǎng)格(海綿)狀孔隙,被微亮晶充填,甚至Tubiphytes的黑壁也是如此(圖4)。

2.2.3 膠結(jié)作用

碳酸鹽巖膠結(jié)作用的大部分發(fā)生于淺埋藏環(huán)境[40]。早成巖階段的膠結(jié)作用在葉狀藻礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,為提供大量膠結(jié)物和構(gòu)成了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài),使灰?guī)r孔隙度大為降低。粒間孔沉淀斑塊狀亮晶方解石膠結(jié)物和微亮晶,這兩種膠結(jié)物的含量在礁灰?guī)r中含量高,陰極發(fā)光黑紅色。

圖4 溶蝕作用和各種膠結(jié)物(正交偏光)成巖事件序列是:殼體內(nèi)生長海底的葡萄狀膠結(jié)物(a);淺埋藏的溶蝕作用形成圓斑網(wǎng)格(海綿)狀孔隙(Ⅰ),甚至Tubiphytes的黑壁(白箭頭)也是如此,淺埋藏的放射纖維扇狀膠結(jié)物(c);深埋藏的亮晶方解石膠結(jié)物(g),有些膠結(jié)物(h)被改造Fig.4 Dissolution and cements(cross-polarized light) The sequence ofdiagenetic events isas follows:marine botryoidal cement(a)formed within a shell;in a shallow burial setting,dissolution accounted for the formation of dot reseau-like porosity(Ⅰ),so did even black wallof Tubiphytes(white arrows),shallow-burial botryoidal cement(c);deep-burial coarse equant calcite spar(g), preexisting cement(h)altered in the burial setting

淺埋藏環(huán)境里易識別的膠結(jié)物是位移性的放射纖維扇狀膠結(jié)物[34],也可以稱為是葡萄狀膠結(jié)物[41](圖4),但與海底的葡萄狀膠結(jié)物扇的區(qū)別在于:①扇由兩種寬度的放射纖維組成,一種是針狀纖維不太直寬度小于10μm,另一種是柱狀纖維寬度大于10 μm小于30μm;②扇的生長受空間限制不能長成一個形態(tài)好的圓弧;③多數(shù)扇的角度和半徑要小,半徑在1.2～3.6 mm間,角度在30°～150°之間。相鄰的放射纖維扇間有競爭生長關(guān)系。有的標(biāo)本顯示放射纖維扇狀膠結(jié)物含量非常高,可達(dá)到整個薄片面積的1/3～1/2(圖4)。

2.3 表生成巖階段

處于早成巖階段的扁平葉狀藻礁灰?guī)r在淺埋藏之后,因地殼運動抬升或海平面下降,暴露及接近地表的成巖環(huán)境,這時期稱為表生成巖階段;葉狀藻礁灰?guī)r經(jīng)歷了大氣淡水的新生變形、溶蝕、膠結(jié)作用。

在Moore總結(jié)的淡水潛流含水層成巖模型中,在補給區(qū)的淡水滲流或潛流環(huán)境中不飽和淡水對碳酸鹽沉積物和巖石主要是溶蝕作用,在有些部位形成較大的洞穴次生孔隙;在下流方向當(dāng)?shù)畬Ψ浇馐柡秃?淡水潛流環(huán)境的成巖作用主要是方解石膠結(jié)作用[23]。

2.3.1 新生變形作用

海底碳酸鹽包括灰泥、生物殼(除海百合片,腕足殼和易成鑄模的殼體外)及生物結(jié)殼、泥晶套、微晶膠結(jié)物的陰極發(fā)光通常是暗紅色,與后續(xù)的海底膠結(jié)物和淺埋藏膠結(jié)物的陰極發(fā)光各不相同。

晚石炭世是文石海,海底文石、高鎂方解石沉積和微晶膠結(jié)物在經(jīng)歷了淺埋藏和淡水成巖環(huán)境中新生變形作用轉(zhuǎn)為方解石后就比較穩(wěn)定而不易變化[29,36～39]。由于不同時的膠結(jié)物陰極發(fā)光各具特色,并且同時形成的沉積物或膠結(jié)物在區(qū)域范圍內(nèi)陰極發(fā)光具有一致性,說明它們雖然經(jīng)歷了同一新生變形過程,但沒有顯著改變其原始的陰極發(fā)光色,新生變形作用是在接近溶液膜形式下發(fā)生的,新生方解石中發(fā)光激活劑Mn2+和三價的稀土元素離子,和猝滅劑Fe2+的含量沒有明顯變化。

2.3.2 溶蝕作用

肉眼即可觀察到由同心的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物勾勒出的晶洞或通道孔隙是相連通的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),廣泛分布于葉狀藻礁內(nèi)。一些包括葉狀藻片在內(nèi)的細(xì)條狀的東西看來是散布的和漂浮狀的,實際是已被早期膠結(jié)物連成枝狀的(圖3、5、6、圖版Ⅰ-1)。單個孔隙的截面為彎曲的長條形或幾個彎曲的長條形的組合。微觀看到有伸長形或海岸線形狀的較大晶洞或通道孔隙

這些晶洞或通道孔隙規(guī)模大且非組構(gòu)選擇符合淡水溶蝕的特征,應(yīng)當(dāng)是繼承了遮蔽孔或粒間孔等原生孔隙的溶解加大的次生孔隙。

2.3.3 膠結(jié)作用

相連通的大的孔隙系統(tǒng)壁上形成同心的多層的黑、白、灰的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物[31,42～48](圖2、3、5、6)。同心的不同灰度的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物層,反應(yīng)了孔隙系統(tǒng)中的水化學(xué)條件的不斷變化,黑色的含有較高瀝青成分。在有同心的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物的孔隙中心發(fā)育示頂?shù)讟?gòu)造,其下部的沉積物是粉砂,上部覆蓋的是亮晶方解石膠結(jié)物,兩者的界面平直。

圖5 膠結(jié)物豐富的礁灰?guī)r(光片)經(jīng)溶蝕作用形成的非組構(gòu)選擇性孔隙(左下角).葉狀藻和其他生物殼一般有結(jié)殼或泥晶套(Ⅰ),凹面?zhèn)扔姓戏e的灰泥.膠結(jié)物序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(a);淡水的有明暗生長帶的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e);深埋藏的粗粒亮晶方解石膠結(jié)物(g),被改造的膠結(jié)物(h)Fig.5 The reef limestone rich in cements(polished slab) Secondary non-fabric selective porosity(bottom left corner)is created by dissolution.Phylloid algal fragments and other bioclasts commonly were encrusted or surrounded bymicrite envelopes(Ⅰ),carbonate mud was baffled in their concave side.The sequence of cements is: marine isopachous acicular cement(a);meteoric isopachous columnar cement(e)with concentric,various gray growth-layering;burial coarse equant calcite spar(g),preexisting cements(h)altered

構(gòu)造裂縫孔隙壁上生長多層等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物,構(gòu)造角礫內(nèi)有早成的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物,說明等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)作用是多期次的(圖6)。

柱狀膠結(jié)物就是Kendall所定義的有波狀消光和直的雙晶面的放射纖維[44,49]。柱狀晶體長度與寬度之比大于6∶1[43],寬0.12～0.3 mm,長1.8～3 mm (圖版Ⅰ-1),陰極發(fā)光為深藍(lán)黑色。不同層間不整合疊置或以微晶層隔開的整合疊置經(jīng)研究認(rèn)為在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中,最顯著的且含量較高的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物,在有的標(biāo)本中可以達(dá)到薄片面積的50% ～60%,就是在下流方向的淡水潛流環(huán)境下形成,是形成膠結(jié)巖的另一種主要膠結(jié)物。

斑塊狀亮晶方解石膠結(jié)物通常沉淀于伸長形或海岸線形狀的較大晶洞孔隙和粒間孔隙,陰極發(fā)光藍(lán)黑色,與早成巖階段的比較難區(qū)別。與柱狀膠結(jié)物相比斑塊狀膠結(jié)物形成于更慢速度和更低飽和度的水流中。

圖6 淡水潛流的構(gòu)造裂隙和膠結(jié)物(光片)成巖事件序列是:海底的等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(a);大的構(gòu)造角礫(Ⅰ)內(nèi)有先成淡水的等厚環(huán)壁膠結(jié)物(e);淡水潛流的有不同灰度的等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e);深埋藏的等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物(f)和粗粒的亮晶方解石膠結(jié)物(g)Fig.6 Tectonic fracture and cements formed in the meteoric phreatic environment(polished slab) The sequence of diagenetic events is as follows:marine isopachous acicular cement(a);preexisting meteoric isopachous columnar cement(e)in large angular fragments;meteoric isopachous columnar cement(e)with concentric,various gray growth-layering;burial isopachous bladed cement(f),and coarse equant calcite spar(g)

2.4 中、晚成巖階段

中、晚成巖階段大致發(fā)生于中-深埋藏成巖環(huán)境。扁平葉狀藻礁灰?guī)r的成巖作用主要有溶蝕、膠結(jié)、新生變形、可能剪切或高溫重結(jié)晶作用,幾乎沒有化學(xué)壓溶現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.4.1 常見的溶蝕、膠結(jié)作用

在生物碎屑粒泥灰?guī)r和泥?；?guī)r中溶蝕作用形成邊界清晰的圓形、伸長的晶洞孔隙,沒有或微弱被一向伸長的膠結(jié)物(針狀、柱狀、刃狀)環(huán)壁生長,而被清透的粗粒晶簇或斑塊狀亮晶方解石膠結(jié)物所充填。一些早期孔隙的中心部位也被粗粒晶簇或斑塊狀亮晶方解石膠結(jié)物所充填,例如淡水溶蝕的晶洞或通道孔隙、遮蔽孔、粒間孔的中心部位,它們的陰極發(fā)光為黑色,中有黑紅色規(guī)則環(huán)帶,為金字塔或菱形。這種膠結(jié)物符合“深埋藏環(huán)境以形成等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物和粗粒的等粒亮晶方解石為特征”[35]的結(jié)論。

中、晚成巖階段的孔隙接近封閉狀態(tài),流入流出的流體少,結(jié)晶緩慢,所以更易形成清透的粗粒亮晶方解石膠結(jié)物(圖版Ⅰ-1)。埋藏膠結(jié)作用使礁灰?guī)r孔隙度接近零

2.4.2 有機質(zhì)參與的溶蝕、膠結(jié)作用

有些在淺埋藏時形成的放射纖維扇狀膠結(jié)物顏色變黑,含較高的瀝青,并且放射纖維扇內(nèi)有溶蝕孔,內(nèi)充填粗粒亮晶方解石膠結(jié)物。從手標(biāo)本看放射纖維扇外部的同心等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物大部分變白,而結(jié)構(gòu)沒變化,與灰色的部分連續(xù)。一般充填洞穴中心的膠結(jié)物未變色。這種情況比較常見。

形成上述現(xiàn)象原因可能是:先成的膠結(jié)物在深埋藏環(huán)境里被熱液改造。在熱液的作用下,孔隙度較大的灰色等厚環(huán)壁膠結(jié)物重結(jié)晶形成結(jié)構(gòu)沒變化而雜質(zhì)含量少的白色同類膠結(jié)物(圖2、4),其中的微孔隙被方解石充填。熱液使葡萄狀膠結(jié)物扇產(chǎn)生溶蝕孔,熱液攜帶少量的有機質(zhì)滲透,有機質(zhì)在小孔隙和死端孔隙滯留下來,使葡萄狀膠結(jié)物扇和一些生物碎屑中有較高的瀝青含量,顏色變黑。

2.4.3 形成先成膠結(jié)物鑄模的溶蝕、膠結(jié)作用

先成的等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結(jié)物明顯被溶解形成鑄模,這種溶蝕、膠結(jié)作用是一種很少見的情況。鏡下觀察,相鄰的刃(或柱)狀膠結(jié)物(橫切面為蜂窩狀)界線是亮線條,它由兩側(cè)的粗細(xì)不均的黑線勾勒出來,這種黑線是刃(或柱)狀膠結(jié)物形成鑄模后沉淀的微晶層(圖版Ⅰ-2)。后充填鑄模的亮晶方解石膠結(jié)物羽毛狀消光,陰極發(fā)光為藍(lán)黑色。同時溶蝕成的晶洞孔隙也被上述的亮晶方解石膠結(jié)物充填。并且有陰極發(fā)光為亮橙色網(wǎng)格狀脈浸染,反映了熱液溶蝕和結(jié)晶的特點。

與鑄模被充填同時,新形成的放射纖維扇狀膠結(jié)物和刃狀膠結(jié)物,破壞等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結(jié)物的底質(zhì)等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(圖版Ⅰ-3)。

2.4.4 新生變形作用或高溫重結(jié)晶作用

礁灰?guī)r多數(shù)已亮晶化,少數(shù)標(biāo)本中生物碎屑輪廓變模糊而不易識別,巖石經(jīng)歷了進(jìn)變新生變形或剪切和高溫重結(jié)晶作用。

2.5 后生(后成)作用階段

后生(后成)作用是指沉積物固結(jié)成巖之后到遭受變質(zhì)或再次風(fēng)化之前所發(fā)生的變化[50,51]。在扁平葉狀藻礁灰?guī)r中觀察到的后生作用主要是剪切和高溫重結(jié)晶、構(gòu)造破裂作用,和個別的化學(xué)壓溶現(xiàn)象。剪切和高溫重結(jié)晶作用使礁灰?guī)r略大理巖化和產(chǎn)生雙晶。構(gòu)造破裂作用是指碳酸鹽在固結(jié)成巖后,在由于受到構(gòu)造應(yīng)力作用下,巖石中發(fā)育規(guī)模、大小不同的構(gòu)造裂隙,后被礦物質(zhì)半充填或全充填[52]。

2.5.1 在淺部(氧化還原界面附近)滲流和潛流環(huán)境的構(gòu)造破裂作用

圖版Ⅰ-4展示的標(biāo)本體現(xiàn)了典型淺部的構(gòu)造破裂作用,這種情況少見。通過對它的觀察建立了一個比較復(fù)雜的成巖作用序列如下:在張性構(gòu)造裂隙內(nèi),有大小混雜堆積的黑灰色和少量紅褐色構(gòu)造角礫,可以看出它們是礁灰?guī)r埋藏成巖后的。⑴滲流環(huán)境下,角礫間孔隙被奶白色和灰色方解石所膠結(jié),同時少數(shù)小角礫被白色和灰色同心膠結(jié)物層包圍形成滲流豆粒;后沿裂隙壁和剛成的細(xì)裂隙壁生長等厚環(huán)壁膠結(jié)物,上有含紅褐色含F(xiàn)e2O3的微晶層沉淀。⑵裂隙喉道堵塞后形成的洞穴下部沉積異地來源的小礫石和紅褐色含F(xiàn)e2O3晶體粉砂,層理比較明顯,向上顆粒變細(xì),指示這時是氧化的滲流環(huán)境。⑶上部的洞穴被等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物和粗粒亮晶方解石膠結(jié)物充填,表明成巖環(huán)境已轉(zhuǎn)為還原的潛流和埋藏環(huán)境。

2.5.2 在深部環(huán)境的構(gòu)造破裂作用

多數(shù)情況是在深部環(huán)境構(gòu)造裂隙被白色、綠色粗粒的刃狀和等粒的亮晶方解石膠結(jié)物充填。其中一小部分裂隙的中間部位充填瀝青,或以條塊狀存在,或賦存于粗粒方解石晶間孔隙。構(gòu)造裂隙內(nèi)的角礫和壁上的灰?guī)r有的由于隨熱液而來的有機質(zhì)的滲入而變黑(圖版Ⅰ-5)。

3 方解石的雙晶特征及其指示意義

Ferrill和Burkhard認(rèn)為:方解石的雙晶寬度與形成溫度之間存在緊密正相關(guān)關(guān)系,并且雙晶形態(tài)發(fā)生顯著變化是在170～200℃間,170℃以下形成薄的雙晶(厚度≤1μm),厚的雙晶(厚度?1μm)形成在超過200℃的溫度下[53～56]。

扁平村葉狀藻灰?guī)r的粗粒方解石膠結(jié)物中的雙晶的厚度普遍遠(yuǎn)大于1μm(圖版Ⅰ-1、6),有些雙晶有彎曲交錯現(xiàn)象(圖版Ⅰ-6),即使在后生作用階段的亮晶方解石膠結(jié)物的雙晶寬度也是遠(yuǎn)大于1μm的。這些雙晶形成于超過200℃的溫度下。

結(jié)合①南盤江盆地不同時期的古地溫梯度[57]和②雙晶形成溫度超過200℃的結(jié)論,確定葉狀藻礁灰?guī)r的可能埋深如下:泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)超過5.7 km(31 ～35℃/km);二疊紀(jì)超過4.4～2.8 km(45～70℃/ km);中生代超過6.6 km(30℃/km);新生代超過7.1 km(28℃/km)。目前不確定方解石雙晶形成于何時,即使在地溫梯度最高的二疊紀(jì),埋深也超過2.8 km。

在后生作用階段生成的亮晶方解石膠結(jié)物中的雙晶形成于超過200℃的溫度下,說明灰?guī)r經(jīng)歷了一次超過2.8 km的深埋藏,如果不是在二疊紀(jì),埋深會超過5.7 km。而后生作用是灰?guī)r在第一次深埋藏之后的經(jīng)地殼抬升接近地表時發(fā)生的。所以葉狀藻礁灰?guī)r經(jīng)歷了二次或以上的深埋藏過程,葉狀藻礁灰?guī)r代表的上石炭統(tǒng)灰?guī)r的埋深是頻繁變化的,印證了其它文獻(xiàn)的南盤江盆地地殼升降頻繁和經(jīng)歷多次巖溶作用的結(jié)論[16～19]。

4 結(jié)論

(1)貴州紫云縣猴場鎮(zhèn)扁平村的上石炭統(tǒng)中的葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r中廣泛發(fā)育強烈的成巖作用,成巖作用類型主要有泥晶化、溶蝕、膠結(jié)、新生變形、機械壓實、剪切或高溫重結(jié)晶、構(gòu)造破裂作用等。其中膠結(jié)、溶蝕、新生變形作用作用時間長、強烈,表現(xiàn)形式多樣。

①淺海海底同生成巖階段,葉狀藻片豐富的沉積物由于生物結(jié)殼及微晶膠結(jié)作用而存有大的孔隙,其中生成等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物、葡萄狀膠結(jié)物;生物碎屑粒泥和泥粒沉積物孔隙度較低,孔隙里形成微晶膠結(jié)物。②早成巖階段的成巖作用有輕微壓實、溶蝕作用,和在葉狀藻礁灰?guī)r成巖過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用的膠結(jié)作用。膠結(jié)作用提供了大量的微亮晶、斑塊狀亮晶方解石、放射纖維扇狀膠結(jié)物,和構(gòu)造了巖石骨架從而決定巖石的最終形態(tài)。③表生成巖階段,強烈的溶蝕作用形成大的晶洞孔隙或通道孔隙,后被潛流的同心等厚柱狀膠結(jié)物環(huán)壁生長。至此,膠結(jié)作用使扁平村葉狀藻礁及其周邊灰?guī)r孔隙度大為降低,能抵抗壓實作用。④中、晚成巖階段,接近封閉狀態(tài)的孔隙被等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物和粗粒的等粒亮晶方解石膠結(jié)物充填,使礁灰?guī)r孔隙度接近零;先成的膠結(jié)物被熱液改造,使有機質(zhì)含量和顏色發(fā)生變化而結(jié)構(gòu)不變;小部分先成膠結(jié)物形成鑄模后被充填。新生變形作用以接近溶液膜形式進(jìn)行,基本不改變孔隙。⑤在后生作用階段發(fā)生構(gòu)造破裂作用。少數(shù)裂隙有指示接近地表的氧化滲流環(huán)境的環(huán)壁紅褐色微晶層和滲流豆粒和紅褐色含F(xiàn)e2O3晶體粉砂;多數(shù)裂隙充填了粗粒的刃狀和等粒的亮晶方解石膠結(jié)物,其中有的裂隙中間部位充填了瀝青。

(2)葉狀藻灰?guī)r的亮晶方解石膠結(jié)物中雙晶的厚度普遍大于1μm,包括后生作用階段的,雙晶形成溫度大于200℃。在后生作用階段葉狀藻礁灰?guī)r有一次深埋超過2.8 km,如果不是在二疊紀(jì),深埋會超過5.7 km。上石炭統(tǒng)的灰?guī)r是在經(jīng)歷了二次或以上的深埋藏過程,印證了其它文獻(xiàn)的南盤江盆地地殼升降頻繁和經(jīng)歷多次巖溶作用的結(jié)論。

(3)葉狀藻礁灰?guī)r的孔隙系統(tǒng)較早被膠結(jié),在第一次深埋藏過程中孔隙就幾乎被完全膠結(jié),是此葉狀藻礁灰?guī)r沒能成為油氣儲集層的原因之一。南盤江盆地內(nèi)可能只有在后生作用階段形成大而連通的次生孔隙的灰?guī)r才能成為油氣儲集層。

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Diagenesis of the Upper Carboniferous Phylloid Algal Reef Limestone in Ziyun County,Guizhou

SUN Bao-liang1GONG En-pu1LIJing-mei2GUAN Chang-qing1ZHANG Yong-li1
(1.Geology Department of Northeastern University,Shenyang 110004; 2.East China M ineral Exp loration and Development Bureau,Nanjing 210007)

The upper Carboniferous phylloid algal reef and circumjacent limestone has undergone intensive diagenesis in the Bianping Village of Houchang Town,Ziyun County,the cements,signs of the effect of the diagenesis,are prominent and representative in the region of Houchang Town.The diagenesis of phylloid algal reef limestone are studied in detail bymeans of rock outcrop and slab and thin section analysis and observation using polarisingmicroscope, alizarin red and potassium ferricyanide staining,cathodoluminescence.Diagenetic environments in the reef limestone are recognized,paragenetic sequences determined,diagenetic stages divided,and the diagenetic history reconstructed.Themain types of the diagenesis include micritization,cementation,neomorphism,physical compaction,dissolution,shear or high-temperature recrystallization,fracturing,etc.Among the processes,cementation,neomorphism, dissolution affect rock over a long time,intensively,having various appearances.During syndiagenetic stage,sediment rich in the fragments of phylloid algal thallihad high porosity and largely preserved shelter porosity,micritization and cementation occurs extensively,marine botryoidal cement and acicular cement grew in pores;whereas bioclastic wackestone and packstone sediment poor in the fragments of phylloid algal thalligenerally had low porosity and permeability,micrite cement grew in pores.There were light compaction and dissolution,and cementation that play a key role in the diagenetic process of the reef limestone,during early diagenetic stage.Cementation supplied a great deal cements,including blocky calcite spar and calcite microspar precipitated in small pores,and radiating cement fans grew in big pores.Cementation constructed rock framework,and consequently decided the features of the limestone rock.During epidiagenetic stag,vuggy or channel porosity was created by intensemeteoric dissolution in the recharge area;meteoric phreatic cements precipitated in downflow areas,including isopachous columnar cement,and equant and blocky calcite cement,isopachous columnar cement is volumetrically more abundant.So far the porosity of the reef limestone bad been reduced dramatically through early-stage cementation,so the reef limestone could preventmechanical compaction.During middle and late diagenetic stage,nearly occluded porosity was filled with isopachous bladed cement and coarse drusy or blocky calcite spar because of low rates of fluid influx and efflux,making total porosity in the reef limestone reduce to approximately zero.Preexisting cementswere altered on the hydrocarbon composition and color,but the crystal fabrics unaltered.The color of isopachous bladed to columnar calcite cement changed from gray to white,and the color of botryoidal cement becamemore blackish due to hydrocarbon infiltration.A little isopachous bladed to columnar calcite cementwere dissolved,leavingmouldic pores filled subsequently.Construction fracturing is one of themain types of diagenesis that took place during catagenesis stage.Rustymicrocrystalline layers containing Fe2O3lining thewall of some fractures,and vadose pisoids and ferrugineous crystal silt containing Fe2O3deposited at the bottom of the cavities formed in the tectonic fractures,indicate that they formed in oxidizing vadose environments.Most fractures are filled with white or green bladed cement and clear coarse sparry calcite cement,the middle part of some fractures is filled with bitumen block.Nearly all twins in calcite filling fractures are thicker than 1μm,therefore it can be derived that the thick twins deformed at the temperature above 200℃.o the phylloid algal reef limestone was again buried deeper than 2.8km during catagenesis stage.This indicates that the Nanpanjiang Basin has undergone frequent elevation-subsidence.Itmight be a reason for that the phylloid algal reef limestone did not become oil and gas reservoirs that the pores of the phylloid algal reef limestone were occluded by burial cement.Only limestone that has large interconnected secondary pores generated during catagenesis stage could become oil and gas reservoirs in the Nanpanjiang Basin.

diagenesis;cementation;phylloid algal reef;Upper Carboniferous;Bianping village

孫寶亮 男 1970年出生 博士 講師 沉積學(xué) E-mail:sunbaoliang@mail.neu.edu.cn

P588.2

A

1000-0550(2012)01-0043-11

①國家自然科學(xué)基金項目(編號:40972004)資助。

2011-01-11;收修改稿日期:2011-04-02

圖版Ⅰ說明:1.葉狀藻(Ⅰ)和苔蘚蟲(Ⅱ)有泥晶套,外有海底的等厚環(huán)邊針狀膠結(jié)物(a),二者都被淡水溶蝕掉(白箭頭).后沉淀淡水潛流等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e),剩余孔隙被深埋藏的晶簇狀亮晶方解石(g)所膠結(jié)(正交偏光).2.二條黑線(代表微晶層)(白箭頭)中間的亮線,是橫切面為蜂窩狀的等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結(jié)物(e)的邊界(正交偏光加石膏試板).3.由新成的柱狀纖維(白箭頭)合并的刃狀膠結(jié)物(Ⅰ),破壞了等厚環(huán)壁刃(或柱)狀膠結(jié)物(e)的底質(zhì)(正交偏光加石膏試板).4.構(gòu)造破裂作用的充填序列:大小混雜堆積的構(gòu)造角礫(Ⅰ),滲流豆粒(Ⅱ),等厚環(huán)壁柱狀膠結(jié)物(e2),紅褐色含F(xiàn)e2 O3的微晶層(L),紋層狀紅褐色晶體粉砂(Ⅲ),等厚環(huán)壁刃狀膠結(jié)物(f2),亮晶方解石膠結(jié)物(g2)(光片).5.構(gòu)造裂隙內(nèi)的角礫(Ⅰ)和網(wǎng)狀方解石脈(Ⅱ)及裂隙壁(Ⅲ)上的變黑的群體珊瑚(Ⅳ).6.充填構(gòu)造裂隙的亮晶方解石中的雙晶的寬度遠(yuǎn)大于1μm(正交偏光加石膏試板).雙晶類型Ⅱ:板狀厚雙晶,形成溫度> 200℃;雙晶類型Ⅲ:彎曲的和透鏡狀的雙晶,形成溫度>200℃.